JP2019511992A - Copper-ceramic composite material - Google Patents

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Abstract

本発明は、− 粒子サイズが０．０１μｍから２５μｍの範囲内であり、粒子サイズの量分布における中央値ｄ５０及び算術平均ｄａｒｉｔｈについて、ｄａｒｉｔｈに対するｄ５０の比が０．７５から１．１０の範囲内である酸化アルミニウムを含むセラミック基板と、− 前記セラミック基板上に設けられた銅又は銅合金からなる被膜と、を有する銅−セラミックス複合材料に関する。
【選択図】なしAccording to the invention, the particle size is in the range from 0.01 μm to 25 μm, and for the median d 50 and the arithmetic mean d arith in the particle size distribution, the ratio of d 50 to d arith is from 0.75 to 1. The present invention relates to a copper-ceramic composite material having a ceramic substrate containing aluminum oxide in the range of 10 and a coating made of copper or a copper alloy provided on the ceramic substrate.
【Selection chart】 None

Description

本発明は、銅−セラミックス複合材料、及び当該複合材料を備え、パワーエレクトロニクス部品に使用可能なモジュールに関する。   The present invention relates to a copper-ceramic composite material and a module comprising the composite material and usable for power electronic components.

セラミックス回路支持体は、熱伝導性が高く、寸法安定性又は機械的強度に優れ、絶縁強度も高いことから、ハイパワーエレクトロニクスの分野において特に興味を集めている。   Ceramic circuit supports are of particular interest in the field of high power electronics because of their high thermal conductivity, excellent dimensional stability or mechanical strength, and high dielectric strength.

セラミック基板を金属化するには、ダイレクト銅ボンディング（Ｄｉｒｅｃｔ−Ｃｏｐｐｅｒ−Ｂｏｎｄｉｎｇ）（通常、ＤＣＢ法と呼ばれる。）や、活性金属ろう付け法（Ａｃｔｉｖｅ−Ｍｅｔａｌ−Ｂｒａｚｉｎｇ）（通常、ＡＭＢ法と呼ばれる。）等の様々な方法が利用可能である。   In order to metallize a ceramic substrate, direct copper bonding (Direct-Copper-Bonding) (usually called DCB method) and active metal brazing method (Active-Metal-Brazing) (usually called AMB method). Etc.) are available.

セラミック基板の金属化後に得られる複合材料は、金属−セラミック基板又は金属−セラミックス複合材料とも呼ばれる。例えばＤＣＢ法により作製された場合には、「ＤＣＢ基板」という用語がしばしば用いられる。   The composites obtained after metallization of the ceramic substrate are also called metal-ceramic substrates or metal-ceramic composites. For example, when produced by the DCB method, the term "DCB substrate" is often used.

ＤＣＢ法では、銅の融点が、酸素によって１０８３℃から共晶融点の１０６５℃まで低下することが利用される。セラミック基板の金属化前に銅箔を酸化するか、高温プロセス（例えば１０６５℃から１０８０℃の範囲内の温度）中に酸素を導入することによって、薄い共晶溶融層が形成される。この層をセラミック基板の表面と反応させることで、セラミックスと金属を強固に貼り付けることができる。   In the DCB method, it is utilized that the melting point of copper is lowered by oxygen to 1083 ° C. to 1065 ° C. of the eutectic melting point. A thin eutectic melt layer is formed by oxidizing the copper foil prior to metallization of the ceramic substrate or introducing oxygen during high temperature processes (eg, temperatures within the range of 1065 ° C. to 1080 ° C.). By reacting this layer with the surface of the ceramic substrate, the ceramic and the metal can be firmly attached.

ＤＣＢ法は、例えばＵＳ３７４４１２０又はＤＥ２３１９８５４に記載されている。   The DCB method is described, for example, in US Pat. No. 3,744,120 or DE 2319854.

金属化は、例えばセラミック基板の片面のみに行ってもよいし（「単層ボンディング（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｌａｙｅｒ−Ｂｏｎｄｉｎｇ）」、ＳＬＢ）、あるいはセラミック基板の両面に同時に行ってもよい（「２層ボンディング（Ｄｏｕｂｌｅ−Ｌａｙｅｒ−Ｂｏｎｄｉｎｇ）」ＤＬＢ）。また、基板の第１面を最初のＳＬＢ工程により金属化し、続けて反対側の面を更なるＳＬＢ工程により金属化することも可能である。   The metallization may be performed, for example, on only one side of the ceramic substrate ("Single-Layer-Bonding", SLB), or simultaneously on both sides of the ceramic substrate ("2-layer bonding ( Double-Layer- Bonding "DLB). It is also possible to metallize the first side of the substrate with a first SLB step and subsequently metallize the opposite side with a further SLB step.

貼り付けた金属被膜を、例えばエッチング法により構造化して、導体路を形成することも知られている。   It is also known to structure the glued metal coating, for example by means of etching, to form conductor tracks.

パワーエレクトロニクス用途の多くでは、金属−セラミックス複合材料は、大きな温度変化（例えば−４０℃から＋１５０℃の範囲）が起こりうるような、強い温度変化ストレスにさらされる。   In many power electronics applications, metal-ceramic composites are subjected to strong temperature change stresses such that large temperature changes (e.g., in the range of -40 <0> C to +150 <0> C) can occur.

セラミック基板と金属被膜との熱膨張係数の違いから、温度変動の際に、これらの層の遷移部分には相当な機械的ストレスが発生し、最終的には、セラミックス表面からの金属の剥離が少なくとも部分的に起こりうる。金属層の周辺部分に巨視的レベルで特別な構造化を施すことで、引張及び圧縮ストレスを減少させて、耐熱衝撃性を高めることができることが知られている。ＤＥ４００４８４４Ａ１及びＤＥ４３１８２４１Ａ１には、周辺部の弱体化として縁部の凹みや孔を有する、セラミック基板の金属被膜が記載されている。   Due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and the metal coating, when the temperature fluctuates, considerable mechanical stress is generated in the transition part of these layers, and finally, peeling of the metal from the ceramic surface It can happen at least partially. It is known that by applying special structuring on the periphery of the metal layer at the macroscopic level, it is possible to reduce the tensile and compressive stresses and to increase the thermal shock resistance. DE4004844A1 and DE4318241A1 describe a metal coating on a ceramic substrate with indentations and holes at the edge as a weakening of the periphery.

使用中に発生する温度変化ストレスは、セラミックスの割れを引き起こしうる。さらに、輸送の際、又は電気部品へ組み込む際に、機械的ストレスがかかることがあり、これも同様にセラミックスの割れを引き起こす。   Temperature change stress that occurs during use can cause the ceramic to crack. In addition, mechanical stresses can occur during transport or when incorporated into electrical components, which likewise causes cracking of the ceramic.

温度変化ストレスや他の機械的ストレスによるセラミックスの割れをできる限り最小化するためには、金属−セラミックス複合材料のセラミック基板の機械的強度（例えば、非常に高い曲げ破壊強度）を非常に高くするべきである。   To minimize as much as possible cracking of the ceramic due to thermal stress and other mechanical stresses, make the mechanical strength (eg very high flexural strength) of the ceramic substrate of the metal-ceramic composite very high It should.

使用の際、構造化された金属被膜は、例えばチップ等の電子部品と接触する。これらの電子部品の箇所では、かなりの発熱が起こりうる。こうした熱は、セラミック基板を介してできる限り速く放散されるべきである。   In use, the structured metal coating contacts, for example, electronic components such as chips. At these electronic components, considerable heat generation can occur. Such heat should be dissipated as fast as possible through the ceramic substrate.

従って、セラミック基板は、優れた機械的強度だけでなく、非常に優れた熱伝導性を有することが基本的に望ましい。しかし、実際には、これら特性の両方を同時に最適化するのは困難であることが判明している。あるパラメータを改善すると、しばしば他のパラメータが犠牲となる。   Therefore, it is basically desirable for the ceramic substrate to have not only excellent mechanical strength but also very good thermal conductivity. However, in practice, it has proven difficult to optimize both of these properties simultaneously. Improving one parameter often comes at the expense of the other.

銅−セラミックス複合材料の電子分野の用途に関連するさらなる特性としては、優れた温度変化耐性や、長期にわたる温度変化ストレスを受けても十分に強固なままであるような、金属被膜のセラミックス表面への非常に強固な結合、ボンディングワイヤーに対する銅被膜の優れた結合挙動が挙げられる。   Additional properties related to the electronic applications of copper-ceramic composites include excellent resistance to temperature changes and ceramic surfaces of metal coatings that remain sufficiently robust to long-term temperature change stress. Very strong bonding, excellent bonding behavior of the copper coating to the bonding wire.

ＤＥ１０２０１２１１０３２２では、金属−セラミックス複合材料のセラミック基板が、その粒子構造（すなわち、顕微鏡レベルの構造）についてさらに詳細に定義されている。セラミック基板は、酸化ジルコニウムで強化された酸化アルミニウムを含み、当該酸化アルミニウムの平均粒子サイズが２μｍから８μｍの範囲内であり、全粒子境界長に対するＡｌ２Ｏ３粒子の粒子境界長の比が＞０．６である。ＤＥ１０２０１２１１０３２２によれば、この粒子構造が熱伝導性の改善に貢献している。 In DE 10 2012 110 322, ceramic substrates of metal-ceramic composites are defined in more detail for their particle structure (i.e. structure at the microscopic level). The ceramic substrate comprises zirconium oxide reinforced aluminum oxide, wherein the average particle size of the aluminum oxide is in the range of 2 μm to 8 μm, and the ratio of the grain boundary length of Al 2 O 3 particles to the total grain boundary length is> 0.6. According to DE 10 2012 110 322, this particle structure contributes to the improvement of the thermal conductivity.

本発明は、諸特性が改善された、特に機械的強度と熱伝導性に優れた金属−セラミックス複合材料を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a metal-ceramic composite material having improved properties, in particular, excellent mechanical strength and thermal conductivity.

本目的は、銅−セラミックス複合材料であって、
− 酸化アルミニウムを含むセラミック基板と、
− 前記セラミック基板上に存在する、銅又は銅合金からなる被膜と、を有し、
前記酸化アルミニウムは、粒子サイズが０．０１μｍから２５μｍの範囲内である、
上記銅−セラミックス複合材料により達成される。 The object is a copper-ceramic composite material,
A ceramic substrate comprising aluminum oxide,
-A coating made of copper or a copper alloy present on the ceramic substrate,
The aluminum oxide has a particle size in the range of 0.01 μm to 25 μm.
This is achieved by the above copper-ceramic composite material.

セラミック基板１が銅又は銅合金からなる被膜２を下面及び上面の両方に有する例示的な銅−セラミックス複合材料を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic view showing an exemplary copper-ceramic composite material in which a ceramic substrate 1 has a coating 2 made of copper or a copper alloy on both the lower surface and the upper surface. セラミック基板１の複数の領域に銅又は銅合金からなる被膜２を設けた例示的な銅−セラミックス複合材料を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the exemplary copper-ceramics composite material which provided the film | membrane 2 which consists of copper or a copper alloy in the several area | region of the ceramic substrate 1. FIG. 粒子サイズの決定法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the determination method of particle | grain size. 楕円形粒子構造を有する粒子の形状系数ＲＫに関する説明図である。It is an explanatory diagram for shape-based number R K particles having an elliptical particle structure. Ｋ−Ｋ−Ｖ１のセラミック基板表面のＳＥＭ像である。It is a SEM image of the ceramic substrate surface of KK-V1.

銅−セラミックス複合材料のセラミック基板は、通常、小さな結晶子（粒子とも呼ぶ。）からなる多結晶材である。顕微鏡レベルでは、多結晶材は、粒子構造（例えば、粒子サイズ分布、粒子形状、質感等）という観点からさらに詳細に特徴づけることができる。   The ceramic substrate of the copper-ceramic composite material is usually a polycrystalline material consisting of small crystallites (also called particles). At the microscopic level, polycrystalline materials can be characterized in more detail in terms of particle structure (eg, particle size distribution, particle shape, texture, etc.).

本発明において、粒子サイズが０．０１μｍから２５μｍの範囲内の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を有するセラミック基板は、高い機械的強度と高い熱伝導性の両方を示すことが明らかとなった。 In the present invention, it has been found that ceramic substrates having aluminum oxide (Al 2 O 3 ) in the particle size range of 0.01 μm to 25 μm exhibit both high mechanical strength and high thermal conductivity.

機械的強度の改善は、特に曲げ破壊強度の改善として表される。本発明によれば、セラミックスの曲げ破壊強度の改善とは、３点曲げ試験における破壊に至るまでの力が増すことを意味する。セラミックスの曲げ破壊強度の測定は、例えばＤＩＮ ＥＮ８４３−１（２００８）によって当業者に公知である。好ましくは、試料の形状は、試料が２０×４０×０．３８ｍｍ3又は２０×４０×０．６３ｍｍ3の寸法を有するという点で、ＤＩＮ ＥＮ８４３−１（２００８）の形状から逸脱する。 The improvement in mechanical strength is particularly expressed as the improvement in flexural strength. According to the invention, the improvement of the flexural strength of the ceramic means that the force to failure in the three-point bending test is increased. The measurement of the flexural strength of ceramics is known to the person skilled in the art, for example by DIN EN 843-1 (2008). Preferably, the shape of the sample, in that sample has dimensions of 20 × 40 × 0.38mm 3 or 20 × 40 × 0.63mm 3, deviates from the shape of the DIN EN843-1 (2008).

本発明によれば、耐熱衝撃性とは、銅−セラミック基板のセラミックスからの剥離に対する銅層の耐性又は耐久能力であり、当該耐性は、セラミックスに対する銅層の少なくとも１回の温度変化の後に定まる。耐熱衝撃性の改善とは、耐えられる温度変化の回数が増えることを意味する。   According to the invention, the thermal shock resistance is the resistance or the ability of the copper layer to peel off the ceramic of the copper-ceramic substrate, which resistance is determined after at least one temperature change of the copper layer to the ceramic. . The improvement of thermal shock resistance means that the number of temperature changes that can be tolerated increases.

本発明によれば、ワイヤーボンディングの改善とは、ボンドワイヤーを銅−セラミックス複合材料の銅表面から分離するのに必要な力が増すことを意味する。
本発明によれば、銅接着力の改善とは、銅−セラミックス複合材料に対する銅の接着力であって、接着された銅箔を銅−セラミックス複合材料のセラミックス表面から剥がすのに必要な力が増すことである。例示的な測定方法は、ＤＥ１０２００４０１２２３１Ｂ４（ＤＥ１０２００４０１２２３１Ｂ４の図２及び図３）によって当業者に公知である。 According to the invention, the improvement of the wire bonding means that the force required to separate the bond wire from the copper surface of the copper-ceramic composite is increased.
According to the invention, the improvement of the copper adhesion is the adhesion of copper to the copper-ceramic composite material and the force required to peel the adhered copper foil from the ceramic surface of the copper-ceramic composite material It is to increase. Exemplary measurement methods are known to the person skilled in the art from DE 10 2004 0122 31 B 4 (FIGS. 2 and 3 of DE 10 2004 0122 31 B 4).

酸化アルミニウムの粒子サイズは、好ましくは０．３μｍから２３μｍの範囲内、より好ましくは０．５μｍから２０μｍの範囲内である。   The particle size of the aluminum oxide is preferably in the range of 0.3 μm to 23 μm, more preferably in the range of 0.5 μm to 20 μm.

本発明において、これらの値は粒子サイズ分布の厳密な上限及び下限とはみなされるものではなく、±１０％の範囲内で変動しうる。しかし、好ましい実施形態によれば、これらの値は、酸化アルミニウムの粒子サイズ分布の下限（粒子サイズがそれより小さくならない）及び上限（それを超えない）である。したがって、好ましい実施形態によれば、酸化アルミニウムは、上記の範囲外となる粒子を持たない。よって、酸化アルミニウムの最小及び最大粒子サイズをｄｍｉｎ（Ａｌ２Ｏ３）及びｄｍａｘ（Ａｌ２Ｏ３）とすると、好ましくはｄｍｉｎ（Ａｌ２Ｏ３）が≧０．０１μｍかつｄｍａｘ（Ａｌ２Ｏ３）が≦２５μｍ、より好ましくはｄｍｉｎ（Ａｌ２Ｏ３）が≧０．３μｍかつｄｍａｘ（Ａｌ２Ｏ３）が≦２３μｍ、さらに好ましくはｄｍｉｎ（Ａｌ２Ｏ３）が≧０．５μｍかつｄｍａｘ（Ａｌ２Ｏ３）が≦２０μｍである。 In the present invention, these values are not considered to be the exact upper and lower limits of the particle size distribution, and may vary within ± 10%. However, according to a preferred embodiment, these values are the lower limit (the particle size is not smaller) and the upper limit (which is not exceeded) of the aluminum oxide particle size distribution. Thus, according to a preferred embodiment, the aluminum oxide has no particles which fall outside the above range. Therefore, assuming that the minimum and maximum particle sizes of aluminum oxide are d min (Al 2 O 3 ) and d max (Al 2 O 3 ), preferably, d min (Al 2 O 3 ) is 0.010.01 μm and d max (d Al 2 O 3 ) ≦ 25 μm, more preferably d min (Al 2 O 3 ) ≦ 0.3 μm and d max (Al 2 O 3 ) ≦ 23 μm, still more preferably d min (Al 2 O 3 ) ≧ 0.5 μm and d max (Al 2 O 3 ) is ≦ 20 μm.

銅−セラミックス複合材料におけるＡｌ２Ｏ３粒子サイズは、好適なＡｌ２Ｏ３粒子サイズ分布を持つセラミックス出発原料を用いることにより望ましい値に設定することができる。そのようなセラミック材料は、市販されているか、標準的な方法により得ることができる。セラミックス出発原料を熱処理することにより、任意で粒子サイズの微調整を行うことができる。 The Al 2 O 3 particle size in the copper-ceramic composite material can be set to a desired value by using a ceramic starting material having a suitable Al 2 O 3 particle size distribution. Such ceramic materials are commercially available or can be obtained by standard methods. By heat treating the ceramic starting material, fine adjustment of particle size can be optionally performed.

原則として当業者に公知であるが、粒子サイズ分布の測定は、粒子数（すなわち数分布）に基づくか、あるいは粒子の質量（すなわち質量分布）又は体積に基づいて行うことができる。本発明では、粒子サイズの分布を粒子数に基づいて求める。   As known in principle to the person skilled in the art, the measurement of the particle size distribution can be based on the number of particles (i.e. number distribution) or on the mass (i.e. mass distribution) or volume of particles. In the present invention, the particle size distribution is determined based on the number of particles.

好ましい実施形態によれば、セラミック基板の酸化アルミニウムは、粒子サイズの数分布において、５％以下の粒子の粒子サイズが０．１μｍ未満、より好ましくは０．３μｍ未満、さらに好ましくは０．５μｍ未満であり、及び／又は、少なくとも９５％の粒子の粒子サイズが、１５μｍ未満、より好ましくは１０μｍ未満、さらに好ましくは７μｍ未満である。   According to a preferred embodiment, the aluminum oxide of the ceramic substrate has a particle size of less than 0.1 μm, more preferably less than 0.3 μm, still more preferably less than 0.5 μm, in the particle size number distribution of 5% or less And / or the particle size of at least 95% of the particles is less than 15 μm, more preferably less than 10 μm, even more preferably less than 7 μm.

一般に知られているが、粒子サイズ分布の特徴的な値として、特にｄ５０、ｄ５及びｄ９５がある。ｄ５０は、しばしば中央値とも呼ばれ、以下のように定義される：５０％の粒子の径がｄ５０よりも小さい。
同様に、ｄ５は、５％の粒子の径がｄ５よりも小さいことを指し、ｄ９５は、９５％の粒子の径がｄ９５よりも小さいことを指す。
粒子サイズ分布の算術平均ｄａｒｉｔｈは、個々の粒子の粒子サイズの合計を粒子数で除することにより得られる。 As generally known, characteristic values of the particle size distribution are in particular d 50 , d 5 and d 95 . d 50 is often also referred to as a central value, is defined as follows: less than d 50 diameter of 50% of the particles.
Similarly, d 5 refers to that size of from 5% of the particles are smaller than d 5, d 95 refers to the diameter of 95% of the particles are smaller than d 95.
The arithmetic mean d arith of the particle size distribution is obtained by dividing the sum of the particle sizes of the individual particles by the number of particles.

粒子サイズ分布の対称性は、その分布の算術平均ｄａｒｉｔｈに対する中央値ｄ５０の比（すなわち、比ｄ５０／ｄａｒｉｔｈ、以下、粒子サイズ数分布の対称性値とも呼ぶ。）により表すことができる。この比が１．０に近づくほど、粒子サイズ分布はより対称である。 The symmetry of a particle size distribution can be represented by the ratio of the median d 50 to the arithmetic mean d arith of the distribution (ie the ratio d 50 / d arith , hereinafter also referred to as the symmetry value of the particle size number distribution). it can. The particle size distribution is more symmetrical the closer this ratio is to 1.0.

驚くべきことに、セラミック基板中の酸化アルミニウムの粒子サイズ分布をできる限り対称とすることにより、機械的強度と熱伝導性のさらなる最適化を実現することができることが、本発明において明らかにされた。従って、好ましい実施形態によれば、セラミック基板のＡｌ２Ｏ３は、粒子サイズの数分布における中央値ｄ５０及び算術平均ｄａｒｉｔｈが、ｄａｒｉｔｈに対するｄ５０の比（すなわちｄ５０／ｄａｒｉｔｈ）で０．７５から１．１０の範囲内、より好ましくは０．７８から１．０５の範囲内、さらに好ましくは０．８０から１．００の範囲内である。 It has surprisingly been revealed in the present invention that further optimization of the mechanical strength and thermal conductivity can be realized by making the particle size distribution of the aluminum oxide in the ceramic substrate as symmetrical as possible. . Thus, according to a preferred embodiment, Al 2 O 3 of the ceramic substrate, the median d 50 and the arithmetic mean d arith in the number distribution of the particle size, the ratio of d 50 for d arith (i.e. d 50 / d arith) In the range of 0.75 to 1.10, more preferably in the range of 0.78 to 1.05, and still more preferably in the range of 0.80 to 1.00.

例えば事前に原料基板の製造において、酸化アルミニウムの粒子サイズ分布の対称性を調整することのできる好適な方法は、当業者に公知である。例えば、粒子サイズ分布の対称性は、原料基板の製造における焼成時間及び焼成温度の影響を受ける。最終的な銅−セラミックス複合材料において上記の対称性値を実現することのできるＡｌ２Ｏ３基板は、市販されているか、標準的な方法により得ることができる。 Suitable methods are known to the person skilled in the art, for example by means of which the symmetry of the particle size distribution of the aluminum oxide can be adjusted beforehand in the production of the starting substrate. For example, the symmetry of the particle size distribution is influenced by the firing time and the firing temperature in the production of the raw material substrate. Al 2 O 3 substrates capable of achieving the above-mentioned symmetry values in the final copper-ceramic composite are commercially available or can be obtained by standard methods.

驚くべきことに、酸化アルミニウムの粒子サイズ分布の広がりが特定の条件を満たすようにすることにより、機械的強度と熱伝導性のさらなる最適化を実現できることが明らかとなった。粒子サイズ分布を狭すぎるものとした場合、熱伝導性に悪影響を及ぼすことがある。一方、広すぎる粒子サイズ分布は、機械的強度に悪影響を及ぼすことがある。粒子サイズ分布の広がりは、ｄ９５に対するｄ５の比により表すことができる。好ましい実施形態によれば、酸化アルミニウムは、粒子サイズの数分布におけるｄ５及びｄ９５が、ｄ９５に対するｄ５の比で０．１から０．４の範囲内、より好ましくは０．１１から０．３５の範囲内、さらに好ましくは０．１２から０．３０の範囲内である。 It has surprisingly been found that further optimization of the mechanical strength and thermal conductivity can be achieved by ensuring that the spread of the aluminum oxide particle size distribution fulfills certain conditions. If the particle size distribution is too narrow, the thermal conductivity may be adversely affected. On the other hand, particle size distributions that are too broad can adversely affect mechanical strength. The spread of the particle size distribution can be represented by the ratio of d 5 to d 95 . According to a preferred embodiment, the aluminum oxide has d 5 and d 95 in the number distribution of particle sizes in the range of 0.1 to 0.4, more preferably 0.11 to 0.4, in the ratio of d 5 to d 95 It is in the range of 0.35, more preferably in the range of 0.12 to 0.30.

酸化アルミニウムの粒子サイズの数分布は、好ましくはｄ９５が≦１５．０μｍ、より好ましくは４．０μｍから１５．０μｍの範囲内、さらに好ましくは４．５μｍから１０．０μｍの範囲内、さらに好ましくは５．０μｍから８．０μｍの範囲内である。酸化アルミニウムの粒子サイズ数分布のｄ５は、好ましくは≧０．１μｍであり；ｄ５は、より好ましくは０．１μｍから２．５μｍの範囲内、さらに好ましくは０．３μｍから２．５μｍの範囲内、さらに好ましくは０．５μｍから２．０μｍの範囲内である。 The particle size number distribution of aluminum oxide is preferably d 95 ≦ 15.0 μm, more preferably in the range of 4.0 μm to 15.0 μm, still more preferably in the range of 4.5 μm to 10.0 μm, still more preferably Is in the range of 5.0 μm to 8.0 μm. The d 5 of the particle size number distribution of the aluminum oxide, preferably be ≧ 0.1 [mu] m; is d 5, and more preferably in the range of 0.1 [mu] m of 2.5 [mu] m, more preferably from 0.3 [mu] m 2.5 [mu] m of It is in the range, more preferably in the range of 0.5 μm to 2.0 μm.

酸化アルミニウムの粒子サイズ数分布の好ましいｄ５０は、例えば１．０μｍから３．０μｍの範囲内である。 The preferred d 50 of the particle size number distribution of aluminum oxide is, for example, in the range of 1.0 μm to 3.0 μm.

本発明では、酸化アルミニウムの粒子サイズ数分布のｄ５、ｄ９５及びｄ５０値が、以下の条件を満たすように選択されることが好ましい：
９．５≧（ｄ９５−ｄ５）／ｄ５０≧０．７ In the present invention it is preferred that the d 5 , d 95 and d 50 values of the particle size number distribution of the aluminum oxide are selected to satisfy the following conditions:
9.5 ≧ (d 95 −d 5 ) / d 50 0.70.7

酸化アルミニウムの粒子を、セラミック基板の表面と平行な面への２次元投影においてできる限り円形又は丸い形とすることにより、機械的強度のさらなる最適化を実現することができる。個々のＡｌ２Ｏ３粒子の形状は、形状係数（Ｆｏｒｍｆａｋｔｏｒ）ＲＫにより表すことができる。これは、ｄＫ，ｍａｘの長さを半分にする箇所においてｄＫ，ｍａｘに直交する粒子径ｄＫ，ｏｒｔｈｏに対する最大粒子径ｄＫ，ｍａｘの比である（すなわち、ＲＫ＝ｄＫ，ｏｒｔｈｏ／ｄＫ，ｍａｘ）。 A further optimization of the mechanical strength can be achieved by making the aluminum oxide particles as circular or round as possible in a two-dimensional projection on a plane parallel to the surface of the ceramic substrate. The shape of the individual Al 2 O 3 particles can be represented by the form factor R K. This is the ratio of the maximum particle diameter d K, max to the particle diameter d K, ortho orthogonal to d K, max at the point where the length of d K, max is halved (ie, R K = d K, ortho / d K, max ).

Ａｌ２Ｏ３粒子の形状係数ＲＫの算術平均から、酸化アルミニウムの平均粒子形状係数Ｒａ（Ａｌ２Ｏ３）が得られる。例えば、酸化アルミニウム材料が細長い粒子を高い割合で含んでいる場合、この銅の平均粒子形状係数は、比較的低い値となるであろう。一方、平均粒子形状係数の値が１．０に近づくほど、丸く円形の粒子の割合が高くなる。 From the arithmetic mean of the shape factor R K of the Al 2 O 3 particles, an average particle shape factor R a (Al 2 O 3 ) of aluminum oxide is obtained. For example, if the aluminum oxide material contains a high proportion of elongated particles, this copper average particle shape factor will be a relatively low value. On the other hand, as the value of the average particle shape factor approaches 1.0, the proportion of round and circular particles increases.

酸化アルミニウムの平均粒子形状係数Ｒａ（Ａｌ２Ｏ３）は、好ましくは≧０．４０、より好ましくは≧０．６０又は≧０．８０である。例えば事前に原料基板の製造において、酸化アルミニウム粒子の形状を設定することのできる好適な方法は、当業者に公知である。例えば、Ａｌ２Ｏ３粒子の形状は、原料基板の製造における焼成時間及び焼成温度の影響を受ける。最終的な銅−セラミックス複合材料において上記の形状係数Ｒａ（Ａｌ２Ｏ３）を実現することのできるＡｌ２Ｏ３基板は、市販されているか、標準的な方法により得ることができる。 The average particle shape factor R a (Al 2 O 3 ) of aluminum oxide is preferably ≧ 0.40, more preferably 0.60.60 or ≧ 0.80. Suitable methods are known to the person skilled in the art, for example, in which the shape of the aluminum oxide particles can be set in advance in the production of the starting substrate. For example, the shape of Al 2 O 3 particles is affected by the baking time and the baking temperature in the production of the raw material substrate. An Al 2 O 3 substrate capable of realizing the above-mentioned shape factor R a (Al 2 O 3 ) in the final copper-ceramic composite material is commercially available or can be obtained by a standard method.

銅−セラミックス複合材料におけるセラミック基板の好適な厚さは、当業者に公知である。通常、セラミック基板は、その面積の少なくとも７０％、より好ましくは少なくとも９０％に渡って、厚さが０．２ｍｍから１．２ｍｍの範囲内である。セラミック基板の厚さは、例えば約０．３８ｍｍから約０．６３ｍｍである。   Suitable thicknesses of ceramic substrates in copper-ceramic composites are known to those skilled in the art. Usually, the ceramic substrate has a thickness in the range of 0.2 mm to 1.2 mm over at least 70%, more preferably at least 90% of its area. The thickness of the ceramic substrate is, for example, about 0.38 mm to about 0.63 mm.

セラミック基板の厚さ（Ｄｃｅｒ）及びセラミック基板における酸化アルミニウムの粒子サイズ数分布の中央値ｄ５０は、好ましくは、ｄ５０に対するＤｃｅｒの比（すなわち、Ｄｃｅｒ／ｄ５０）が、０．００１から０．０１の範囲内、より好ましくは０．００２から０．００９の範囲内、さらに好ましくは０．００４から０．００８の範囲内となるように選択される。このために、セラミック基板の厚さＤｃｅｒを１箇所で求め、これを酸化アルミニウムの粒子サイズ数分布の中央値ｄ５０で除する。比Ｄｃｅｒ／ｄ５０は、セラミック基板の面積の少なくとも７０％、より好ましくは少なくとも９０％に渡って、好ましくは０．０５から０．４０の範囲内である。 The thickness (D cer ) of the ceramic substrate and the median d 50 of the particle size number distribution of aluminum oxide in the ceramic substrate preferably have a ratio of D cer to d 50 (ie D cer / d 50 ) of 0. It is selected to be in the range of 001 to 0.01, more preferably in the range of 0.002 to 0.009, and still more preferably in the range of 0.004 to 0.008. For this purpose, the thickness D cer of the ceramic substrate is determined at one location and divided by the median value d 50 of the particle size number distribution of aluminum oxide. The ratio D cer / d 50 is preferably in the range of 0.05 to 0.40 over at least 70%, more preferably at least 90% of the area of the ceramic substrate.

酸化アルミニウムは、任意で酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）により強化されていてもよい。通常、このようなＺｒＯ２強化Ａｌ２Ｏ３は、全質量に対して酸化ジルコニウムを０．５重量％から３０重量％の割合で含む。また、酸化ジルコニウムは、任意で１又は２種以上のドープ酸化物、特に酸化イットリウム、酸化カルシウム、酸化セリウム又は酸化マグネシウムにより、酸化ジルコニウム及び酸化アルミニウムの全質量に対して通常最大０．０１重量％又は最大５％の割合でドープされていてもよい。 Aluminum oxide may optionally be reinforced with zirconium oxide (ZrO 2 ). Usually, such ZrO 2 reinforced Al 2 O 3 contains zirconium oxide in a proportion of 0.5% by weight to 30% by weight with respect to the total mass. Also, zirconium oxide is usually up to 0.01% by weight, based on the total mass of zirconium oxide and aluminum oxide, optionally with one or more doped oxides, in particular yttrium oxide, calcium oxide, cerium oxide or magnesium oxide Alternatively, it may be doped at a rate of up to 5%.

セラミック基板は、好ましくはＡｌ２Ｏ３を少なくとも６５重量％含む。Ａｌ２Ｏ３を強化するＺｒＯ２が存在しない場合、セラミック基板は、Ａｌ２Ｏ３を少なくとも９５重量％、好ましくは９６重量％含みうる。 The ceramic substrate preferably comprises at least 65% by weight of Al 2 O 3 . In the absence of ZrO 2 to strengthen Al 2 O 3 , the ceramic substrate may comprise at least 95% by weight, preferably 96% by weight, of Al 2 O 3 .

ＺｒＯ２強化酸化アルミニウムを用いる場合（上記のようにＺｒＯ２は任意でドープされている。）、セラミック基板は、当該ＺｒＯ２強化Ａｌ２Ｏ３を少なくとも９６重量％、好ましくは少なくとも９８重量％含みうる。 When using ZrO 2 -reinforced aluminum oxide (ZrO 2 is optionally doped as described above), the ceramic substrate contains at least 96% by weight, preferably at least 98% by weight, of said ZrO 2 -reinforced Al 2 O 3 sell.

セラミック基板は、例えば、熱伝導性が≧２０Ｗ／ｍＫ及び／又は曲げ破壊強度が≧４００ＭＰａであってよい。   The ceramic substrate may, for example, have a thermal conductivity of 2020 W / mK and / or a flexural strength of 400400 MPa.

セラミック基板は、単基板（Ｅｉｎｚｅｌｓｕｂｓｔｒａｔ）として存在しうる。あるいは、セラミック基板は、当該セラミック基板を２つ以上の領域に分割する１又は２以上の（好ましくは直線の）選択的破壊線を有し、金属被膜（例えば、銅又は銅合金からなる被膜）がこれら領域の少なくとも１つに貼り付けられていてもよい。このような選択的破壊線を有する多数個取り基板（Ｍｅｈｒｆａｃｈｓｕｂｓｔｒａｔ）の構造としては、例えばＤＥ４３１９９４４Ａ１及びＤＥ１９９２７０４６Ａ１を参照することができる。   The ceramic substrate may exist as a single substrate (Einzel substrat). Alternatively, the ceramic substrate has one or more (preferably straight) selective fracture lines dividing the ceramic substrate into two or more regions, and a metal coating (for example, a coating comprising copper or a copper alloy) May be affixed to at least one of these areas. For example, DE 43 1994 4 A 1 and DE 1992 70 46 A 1 can be referred to as the structure of a multi-piece substrate (Mehrfach substrat) having such selective fracture lines.

金属−セラミックス複合材料におけるセラミック基板（単基板又は多数個取り基板のいずれであっても）の好適な寸法（長さｘ幅）は、当業者に公知である。例えば、セラミック基板は、長さｘ幅の寸法が（１８０ｍｍから２００ｍｍ）ｘ（１３０ｍｍから１５０ｍｍ）又は（１８０ｍｍから２００ｍｍ）ｘ（２７０ｍｍから２９０ｍｍ）であってよい。より小さい寸法、例えば（８ｍｍから１２ｍｍ）ｘ（８ｍｍから１２ｍｍ）も可能である。   Suitable dimensions (length x width) of ceramic substrates (whether single or multi-piece substrates) in metal-ceramic composites are known to those skilled in the art. For example, the ceramic substrate may have a length x width dimension of (180 mm to 200 mm) x (130 mm to 150 mm) or (180 mm to 200 mm) x (270 mm to 290 mm). Smaller dimensions are also possible, for example (8 mm to 12 mm) x (8 mm to 12 mm).

上記のように、セラミック基板上には銅又は銅合金の被膜が存在する。   As mentioned above, a coating of copper or copper alloy is present on the ceramic substrate.

セラミック基板の金属化には、例えばダイレクト銅ボンディング（通常ＤＣＢ法と呼ばれる。）や活性化金属ろう付け（通常ＡＭＢ法と呼ばれる。）等の様々な方法を用いることができる。   For the metallization of the ceramic substrate, various methods such as direct copper bonding (usually called DCB method) and activated metal brazing (usually called AMB method) can be used.

銅又は銅合金の粒子サイズは、好ましくは１０μｍから３００μｍの範囲内、より好ましくは１５μｍから２５０μｍの範囲内、さらに好ましくは２０μｍから２１０μｍの範囲内である。この粒子サイズの範囲内において、銅又は銅合金は、銅−セラミックス複合材料が度重なる温度変化ストレスにさらされるような場合でも、セラミック基板への強い接着を示す。同時に、この粒子サイズの銅又は銅合金は、十分なワイヤーボンディングを形成することができる。優れたワイヤーボンディングを示す金属被膜は、ボンドワイヤーと強固な結合を形成して、望ましくないボンドワイヤーの脱落のリスクを最小化する。本発明において、これらの値は粒子サイズ分布の厳密な上限及び下限とはみなされず、±１０％の範囲内で変動しうる。しかし、好ましい実施形態によれば、これらの値は、銅又は銅合金の粒子サイズ分布の下限（粒子サイズがそれより小さくならない）及び上限（それを超えない）である。したがって、好ましい実施形態によれば、銅又は銅合金は、上記の範囲外となる粒子を持たない。よって、銅の最小及び最大粒子サイズをｄｍｉｎ（Ｃｕ）及びｄｍａｘ（Ｃｕ）とすると、好ましくはｄｍｉｎ（Ｃｕ）が≧１０μｍかつｄｍａｘ（Ｃｕ）が≦３００μｍ、より好ましくはｄｍｉｎ（Ｃｕ）が≧１５μｍかつｄｍａｘ（Ｃｕ）が≦２５０μｍ、さらに好ましくはｄｍｉｎ（Ｃｕ）が≧２０μｍかつｄｍａｘ（Ｃｕ）が≦２１０μｍである。 The particle size of the copper or copper alloy is preferably in the range of 10 μm to 300 μm, more preferably in the range of 15 μm to 250 μm, and still more preferably in the range of 20 μm to 210 μm. Within this particle size range, copper or copper alloys exhibit strong adhesion to the ceramic substrate even when the copper-ceramic composite is subjected to repeated temperature change stresses. At the same time, this particle size copper or copper alloy can form sufficient wire bonds. Metal coatings that exhibit good wire bonding form a strong bond with the bond wire to minimize the risk of unwanted bond wire dropout. In the present invention, these values are not considered as the upper and lower limits of the particle size distribution, and may vary within ± 10%. However, according to a preferred embodiment, these values are the lower limit (the particle size is not smaller) and the upper limit of the particle size distribution of copper or copper alloy. Thus, according to a preferred embodiment, the copper or copper alloy has no particles which fall outside the above range. Therefore, assuming that the minimum and maximum particle size of copper is d min (Cu) and d max (Cu), preferably d min (Cu) is ≧ 10 μm and d max (Cu) is ≦ 300 μm, more preferably d min (c) Cu) is ≧ 15 μm and d max (Cu) is ≦ 250 μm, and more preferably d min (Cu) is か つ 20 μm and d max (Cu) is ≦ 210 μm.

好適な粒子サイズ分布を有する銅箔原料を用いることによって、銅−セラミックス複合材料における粒子サイズを望ましい値に設定することができる。そのような銅箔は、市販されているか、標準的な方法により得ることができる。任意で原料箔を熱処理することにより、粒子サイズの微調整を行うことができる。   The particle size in the copper-ceramic composite material can be set to a desired value by using a copper foil material having a suitable particle size distribution. Such copper foils are commercially available or can be obtained by standard methods. The particle size can be finely adjusted by optionally heat treating the raw material foil.

好ましい実施形態によれば、銅又は銅合金は、粒子サイズの数分布において、５％以下の粒子の粒子サイズが１５μｍ未満、好ましくは２０μｍ未満、より好ましくは２５μｍ未満であり、及び／又は、少なくとも９５％の粒子の粒子サイズが、２５０μｍ未満、好ましくは２３０μｍ未満、より好ましくは２００μｍ未満である。   According to a preferred embodiment, the copper or copper alloy has a particle size of less than or equal to 5%, preferably less than 20 μm, more preferably less than 25 μm, and / or at least 5% in number distribution of particle sizes The particle size of the 95% particles is less than 250 μm, preferably less than 230 μm, more preferably less than 200 μm.

銅又は銅合金の粒子サイズの数分布は、好ましくはｄ９５が≦２５０μｍ、より好ましくは１４０μｍから２５０μｍの範囲内、さらに好ましくは１４０μｍから２３０μｍの範囲内、さらに好ましくは１５０μｍから２００μｍの範囲内である。銅又は銅合金の粒子サイズ数分布のｄ５は、好ましくは≧１５μｍであり；ｄ５は、より好ましくは１５μｍから８０μｍの範囲内、さらに好ましくは２０μｍから７５μｍの範囲内、さらに好ましくは２５μｍから７０μｍの範囲内である。これにより、銅又は銅合金の耐熱衝撃性及びボンディング挙動のさらなる最適化を実現することができる。 The particle size number distribution of copper or copper alloy is preferably in the range of d 95 ≦ 250 μm, more preferably in the range of 140 μm to 250 μm, still more preferably in the range of 140 μm to 230 μm, still more preferably in the range of 150 μm to 200 μm. is there. The d 5 of the particle size number distribution of the copper or copper alloy is preferably ≧ 15 μm; d 5 is more preferably in the range of 15 μm to 80 μm, still more preferably in the range of 20 μm to 75 μm, still more preferably 25 μm to Within the range of 70 μm. Thereby, further optimization of the thermal shock resistance and bonding behavior of copper or copper alloy can be realized.

銅又は銅合金の粒子サイズ数分布の好ましいｄ５０は、例えば５５μｍから１１５μｍの範囲内である。 The preferred d 50 of the particle size number distribution of copper or copper alloy is, for example, in the range of 55 μm to 115 μm.

本発明において、銅又は銅合金の粒子サイズ数分布のｄ５、ｄ５０及びｄ９５値は、以下の条件を満たすように選択されることが好ましい：
４．０≧（ｄ９５−ｄ５）／ｄ５０≧０．５ In the present invention, the d 5 , d 50 and d 95 values of the particle size number distribution of the copper or copper alloy are preferably selected to satisfy the following conditions:
4.0 ≧ (d 95 −d 5 ) / d 50 0.50.5

好ましい実施形態によれば、銅又は銅合金は、粒子サイズの数分布における中央値ｄ５０及び算術平均ｄａｒｉｔｈが、ｄａｒｉｔｈに対するｄ５０の比（すなわちｄ５０／ｄａｒｉｔｈ、以後、しばしば銅又は銅合金の粒子サイズ数分布の対称性値Ｓ（Ｃｕ）とも称する。）で０．７５から１．１０の範囲内、より好ましくは０．７８から１．０５の範囲内、さらに好ましくは０．８０から１．００の範囲内である。これにより、耐熱衝撃性及びワイヤーボンディング特性のさらなる最適化を実現することができる。銅、例えば事前に原料銅箔における粒子サイズ分布の対称性を設定することのできる好適な方法は、当業者に公知である。例えば、銅箔における粒子サイズ分布の対称性は、好適な処理温度又はローラー処理の影響を受けうる。最終的な銅−セラミックス複合材料において上記の対称性値を実現することのできる原料銅箔は、市販されているか、標準的な方法により得ることができる。 According to a preferred embodiment, the copper or copper alloy, median d 50 and the arithmetic mean d arith in the number distribution of the particle size, the ratio of d 50 for d arith (i.e. d 50 / d arith, hereinafter, often copper or The symmetry value S (Cu) of the particle size number distribution of the copper alloy is also in the range of 0.75 to 1.10, more preferably in the range of 0.78 to 1.05, still more preferably 0.2. It is in the range of 80 to 1.00. Thereby, further optimization of thermal shock resistance and wire bonding characteristics can be realized. Suitable methods by which the symmetry of the particle size distribution in copper, eg in the raw copper foil, can be set in advance are known to the person skilled in the art. For example, the symmetry of the particle size distribution in the copper foil can be influenced by a suitable processing temperature or roller treatment. Raw copper foils capable of achieving the above-mentioned symmetry values in the final copper-ceramic composite material are commercially available or can be obtained by standard methods.

好ましい実施形態によれば、銅又は銅合金は、粒子サイズの数分布におけるｄ５及びｄ９５が、ｄ９５に対するｄ５の比で０．１から０．４の範囲内、より好ましくは０．１１から０．３５の範囲内、さらに好ましくは０．１２から０．３０の範囲内である。これにより、耐熱衝撃性及びワイヤーボンディング特性のさらなる最適化を実現することができる。 According to a preferred embodiment, the copper or copper alloy, d 5 and d 95 in the number distribution of the particle size in the range of 0.1 to 0.4 in the ratio of d 5 for d 95, more preferably 0. It is in the range of 11 to 0.35, more preferably in the range of 0.12 to 0.30. Thereby, further optimization of thermal shock resistance and wire bonding characteristics can be realized.

銅又は銅合金の平均粒子形状係数Ｒａ（Ｃｕ）は、好ましくは≧０．４０、より好ましくは≧０．６０又は≧０．８０である。上記のように、個々の粒子の形状は、形状係数ＲＫにより表すことができる。これは、ｄＫ，ｍａｘの長さを半分にする箇所においてｄＫ，ｍａｘに直交する粒子径ｄＫ，ｏｒｔｈｏに対する最大粒子径ｄＫ，ｍａｘの比である（すなわち、ＲＫ＝ｄＫ，ｏｒｔｈｏ／ｄＫ，ｍａｘ）。銅の平均粒子形状係数Ｒａ（Ｃｕ）は、粒子の形状係数ＲＫの算術平均から求めることができる。銅中、例えば原料銅箔の時点における粒子形状を設定することのできる好適な方法は、当業者に公知である。例えば、銅箔における粒子形状は、好適な処理温度又はローラー処理の影響を受けうる。最終的な銅−セラミックス複合材料において上記の平均粒子形状係数Ｒａ（Ｃｕ）を実現することのできる原料銅箔は、市販されているか、標準的な方法により得ることができる。 The average particle shape factor Ra (Cu) of the copper or copper alloy is preferably ≧ 0.40, more preferably 0.6 0.60 or 0.8 0.80. As mentioned above, the shape of the individual particles can be represented by the shape factor R K. This is the ratio of the maximum particle diameter d K, max to the particle diameter d K, ortho orthogonal to d K, max at the point where the length of d K, max is halved (ie, R K = d K, ortho / d K, max ). The average particle shape factor R a (Cu) of copper can be determined from the arithmetic mean of the shape factors R K of particles. Suitable methods capable of setting the particle shape in copper, eg at the point of the raw copper foil, are known to those skilled in the art. For example, the particle shape in the copper foil can be affected by a suitable processing temperature or roller treatment. Raw copper foils capable of achieving the above average particle shape factor R a (Cu) in the final copper-ceramic composite material are commercially available or can be obtained by standard methods.

銅−セラミックス複合材料における銅又は銅合金からなる被膜の好適な厚さは、当業者に公知である。下記のように、銅又は銅合金の一部は、例えば周辺弱体化部を形成するために、被膜のある部分、特に周辺領域で再び除去される。したがって、本発明では、金属被膜は様々な厚さを有しうるものである。通常、銅又は銅合金からなる被膜は、その面積の少なくとも７０％に渡って、厚さが０．２ｍｍから１．２ｍｍの範囲内である。例えば、厚さは約３００μｍであってよい。   Suitable thicknesses of coatings of copper or copper alloys in copper-ceramic composites are known to those skilled in the art. As described below, part of the copper or copper alloy is again removed in certain parts of the coating, in particular in the peripheral area, for example to form peripheral weakenings. Thus, in the present invention, the metal coating can have various thicknesses. Usually, the coating made of copper or copper alloy has a thickness in the range of 0.2 mm to 1.2 mm over at least 70% of the area. For example, the thickness may be about 300 μm.

銅又は銅合金からなる被膜の厚さ（ＤＣｕ）及び銅又は銅合金の粒子サイズ数分布の中央値ｄ５０は、好ましくはｄ５０に対するＤＣｕの比が０．０５から０．４０の範囲内となるように選択される。このために、銅又は銅合金の厚さＤＣｕを皮膜の１箇所で求め、これを銅又は銅合金の粒子サイズ数分布の中央値ｄ５０で除する。比ＤＣｕ／ｄ５０は、銅又は銅合金からなる被膜の面積の少なくとも７０％、より好ましくは少なくとも９０％に渡って、好ましくは０．０５から０．４０の範囲内である。 The median thickness d 50 of the coating thickness (D Cu ) of copper or copper alloy and the particle size number distribution of copper or copper alloy preferably has a ratio of D Cu to d 50 in the range of 0.05 to 0.40. It is selected to be inside. For this purpose, the thickness D Cu of copper or copper alloy is determined at one point of the coating and divided by the median d 50 of the particle size number distribution of copper or copper alloy. The ratio D Cu / d 50 is preferably in the range of 0.05 to 0.40 over at least 70%, more preferably at least 90% of the area of the coating of copper or copper alloy.

被膜の銅は、好ましくは純度が≧９９．５０％、より好ましくは≧９９．９０％、さらに好ましくは≧９９．９５％あるいは≧９９．９９％である。   The copper of the coating is preferably 9999.50%, more preferably 99.999.90%, still more preferably さ ら に 99.95% or ≧ 99.99% in purity.

銅又は銅合金からなる被膜は、好ましくはＤＣＢ法によりセラミック基板に貼り付けられる。上記のように、通常のＤＣＢ法は、例えば以下の工程からなる：
− 銅箔を酸化して、表面に酸化銅層を形成する；
− 酸化銅層を形成した銅箔をセラミック基板に載せる；
− 複合材料を＜１０８３℃の温度（例えば１０６５℃から１０８０℃の温度範囲）で加熱する；
− 室温まで冷却する。 The coating made of copper or copper alloy is preferably attached to the ceramic substrate by the DCB method. As mentioned above, the conventional DCB method comprises, for example, the following steps:
-Oxidize the copper foil to form a copper oxide layer on the surface;
-Placing a copper foil on which a copper oxide layer is formed on a ceramic substrate;
Heating the composite material to a temperature of <1083 ° C. (eg a temperature range of 1065 ° C. to 1080 ° C.);
-Cool to room temperature.

ＤＣＢ法の結果として、スピネル結晶子（例えば、銅−アルミニウムスピネル）が、銅又は銅合金からなる被膜とセラミック基板の間に存在しうる。   As a result of the DCB method, spinel crystallites (e.g. copper-aluminum spinel) may be present between the copper or copper alloy coating and the ceramic substrate.

銅又は銅合金からなる被膜は、例えばセラミック基板の片面のみに貼り付けられていてもよい。あるいは、セラミック基板の両面（すなわち上面及び下面）に銅又は銅合金からなる被膜が設けられていてもよい。図１に、セラミック基板１が銅又は銅合金からなる被膜２を下面及び上面の両方に有する、例示的な銅−セラミックス複合材料を示す。図２に、セラミック基板１の複数の領域のそれぞれに銅又は銅合金からなる被膜２を設けた例示的な銅−セラミックス複合材料を示す。下記のように、個々の金属化領域は、選択的破壊線（図２では図示せず。）により互いに分離されることで、当該選択的破壊線に沿った破壊により個別化されてもよい。   The film made of copper or copper alloy may be attached, for example, only to one side of the ceramic substrate. Alternatively, a film made of copper or a copper alloy may be provided on both sides (i.e., the upper and lower surfaces) of the ceramic substrate. FIG. 1 shows an exemplary copper-ceramic composite material in which the ceramic substrate 1 has a coating 2 made of copper or copper alloy on both the lower and upper surfaces. FIG. 2 shows an exemplary copper-ceramic composite material in which a plurality of regions of the ceramic substrate 1 is provided with a coating 2 made of copper or a copper alloy. As described below, the individual metallization areas may be separated by breakdown along the selective fracture line by being separated from one another by a selective fracture line (not shown in FIG. 2).

電気接触部を形成するために、銅又は銅合金からなる被膜を少なくとも部分的に構造化することができる。金属被膜の構造化は、公知の方法、特に（例えばエッチングマスクを用いた）エッチング法により行うことができる。   The coating made of copper or copper alloy can be at least partially structured to form the electrical contacts. The structuring of the metal coating can be carried out in a known manner, in particular by means of an etching process (for example using an etching mask).

エッチング法では、銅又は銅合金を、いくつかの小領域において完全に除去して、セラミック基板の表面を当該小領域において露出させる。さらに、銅又は銅合金からなる被膜は、１又は２以上の凹部（好ましくは円形凹部）を有していてもよく、これは、エッチング法により凹部を導入する領域の銅又は銅合金を一部のみを除去することにより得てもよく、この領域においてセラミック基板の表面は、依然として銅又は銅合金に被覆されている。それに代えて、又はそれに加えて、銅又は銅合金をセラミックス表面まで完全にエッチングしてもよい。銅又は銅合金からなる被膜の好ましくは周辺領域におけるこのような凹部の可能な配置に関しては、例えばＤＥ４００４８４４Ｃ１及びＤＥ４３１８２４１Ａ１が参照される。   In the etching method, copper or copper alloy is completely removed in some small areas to expose the surface of the ceramic substrate in the small areas. Furthermore, the coating made of copper or copper alloy may have one or more recesses (preferably, circular recesses), which are part of the copper or copper alloy in the area where the recesses are introduced by the etching method. It may be obtained by removing only, and in this area the surface of the ceramic substrate is still coated with copper or copper alloy. Alternatively or additionally, the copper or copper alloy may be etched completely to the ceramic surface. For possible arrangements of such recesses in preferably peripheral areas of the coating made of copper or copper alloy, reference is made, for example, to DE 4 048 44 C1 and DE 4318241 A1.

銅又は銅合金の粒子特性とセラミック基板の酸化アルミニウムの粒子特性を互いに調和させることによって、銅−セラミックス複合材料の特性のさらなる改善を実現することができる。   A further improvement of the properties of the copper-ceramic composite can be realized by matching the particle properties of the copper or copper alloy with the particle properties of the aluminum oxide of the ceramic substrate.

好ましい実施形態によれば、ｄ５０（Ｃｕ）に対するｄ５０（Ａｌ２Ｏ３）の比は、０．００８から０．０５５の範囲内、好ましくは０．０１０から０．０４５の範囲内である。これにより、銅−セラミックス複合材料における銅−セラミックス接着及び耐熱衝撃性のさらなる最適化を実現することができる。 According to a preferred embodiment, the ratio of d 50 (Al 2 O 3 ) to d 50 (Cu) is in the range of 0.008 to 0.055, preferably in the range of 0.010 to 0.045. . Thereby, further optimization of copper-ceramics adhesion and thermal shock resistance in a copper-ceramics composite material can be realized.

好ましい実施形態によれば、銅又は銅合金は、粒子サイズの数分布における中央値ｄ５０、算術平均ｄａｒｉｔｈ及び対称性値Ｓ（Ｃｕ）＝ｄ５０／ｄａｒｉｔｈを有し、酸化アルミニウムは、粒子サイズの数分布における中央値ｄ５０、算術平均ｄａｒｉｔｈ及び対称性値Ｓ（Ａｌ２Ｏ３）＝ｄ５０／ｄａｒｉｔｈを有し、Ｓ（Ｃｕ）及びＳ（Ａｌ２Ｏ３）が以下の条件を満たす：
０．７≦Ｓ（Ａｌ２Ｏ３）／Ｓ（Ｃｕ）≦１．４。 According to a preferred embodiment, the copper or copper alloy has a median d 50 , an arithmetic mean d arith and a symmetry value S (Cu) = d 50 / d arith in the particle size number distribution, and the aluminum oxide It has median d 50 , arithmetic mean d arith and symmetry value S (Al 2 O 3 ) = d 50 / d arith in number distribution of particle size, S (Cu) and S (Al 2 O 3 ) are Meet the conditions of:
0.7 ≦ S (Al 2 O 3 ) / S (Cu) ≦ 1.4.

より好ましくは、Ｓ（Ｃｕ）及びＳ（Ａｌ２Ｏ３）が以下の条件を満たし：
０．７４≦Ｓ（Ａｌ２Ｏ３）／Ｓ（Ｃｕ）≦１．３５；
さらに好ましくは以下の条件を満たす：
０．８０≦Ｓ（Ａｌ２Ｏ３）／Ｓ（Ｃｕ）≦１．２５。 More preferably, S (Cu) and S (Al 2 O 3 ) satisfy the following conditions:
0.74 ≦ S (Al 2 O 3 ) / S (Cu) ≦ 1.35;
More preferably, the following conditions are met:
0.80 ≦ S (Al 2 O 3 ) / S (Cu) ≦ 1.25.

これにより、銅−セラミックス複合材料の耐熱衝撃性を改善することができる。   Thereby, the thermal shock resistance of a copper-ceramics composite material can be improved.

より好ましい実施形態によれば、酸化アルミニウムの平均粒子形状係数Ｒａ（Ａｌ２Ｏ３）及び銅又は銅合金の平均粒子形状係数Ｒａ（Ｃｕ）が、以下の条件を満たす：
０．５≦Ｒａ（Ａｌ２Ｏ３）／Ｒａ（Ｃｕ）≦２．０。 According to a more preferred embodiment, the mean particle shape factor R a (Al 2 O 3 ) of aluminum oxide and the mean particle shape factor R a (Cu) of copper or a copper alloy fulfill the following conditions:
0.5 ≦ Ra (Al 2 O 3 ) / Ra (Cu) ≦ 2.0.

さらにより好ましくは、
０．７５≦Ｒａ（Ａｌ２Ｏ３）／Ｒａ（Ｃｕ）≦１．５；
また、さらにより好ましくは、
０．８０≦Ｒａ（Ａｌ２Ｏ３）／Ｒａ（Ｃｕ）≦１．２０
である。
これにより、銅−セラミックス複合材料の耐熱衝撃性のさらなる最適化を実現することができる。 Even more preferably,
0.75 ≦ R a (Al 2 O 3 ) / R a (Cu) ≦ 1.5;
Also more preferably,
0.80 ≦ Ra (Al 2 O 3 ) / Ra (Cu) ≦ 1.20
It is.
Thereby, further optimization of the thermal shock resistance of a copper-ceramics composite material is realizable.

好ましい実施形態によれば、酸化アルミニウムは、粒子サイズがｄｍｉｎ（Ａｌ２Ｏ３）からｄｍａｘ（Ａｌ２Ｏ３）の範囲内であり、銅又は銅合金は、粒子サイズがｄｍｉｎ（Ｃｕ）からｄｍａｘ（Ｃｕ）の範囲内であり、
ｄｍａｘ（Ｃｕ）に対するｄｍｉｎ（Ａｌ２Ｏ３）の比及びｄｍｉｎ（Ｃｕ）に対するｄｍａｘ（Ａｌ２Ｏ３）の比が、以下の（ｉ）及び（ｉｉ）を満たす：
（ｉ） ｄｍｉｎ（Ａｌ２Ｏ３）／ｄｍａｘ（Ｃｕ）≧１ｘ１０−５；
（ｉｉ） ２．５≧ｄｍａｘ（Ａｌ２Ｏ３）／ｄｍｉｎ（Ｃｕ）。 According to a preferred embodiment, the aluminum oxide has a particle size in the range of d min (Al 2 O 3 ) to d max (Al 2 O 3 ), and the copper or copper alloy has a particle size of d min (Cu ) To d max (Cu),
The ratio of d max d min for (Cu) (Al 2 O 3 ) ratio and d min (Cu) with respect to d max (Al 2 O 3) is satisfied following the (i) and (ii):
(I) d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) ≧ 1 × 10 −5 ;
(Ii) 2.5 d d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu).

ｄｍａｘ（Ｃｕ）に対するｄｍｉｎ（Ａｌ２Ｏ３）の比及びｄｍｉｎ（Ｃｕ）に対するｄｍａｘ（Ａｌ２Ｏ３）の比は、さらに好ましくは以下の（ｉ）及び（ｉｉ）を満たし：
（ｉ） ｄｍｉｎ（Ａｌ２Ｏ３）／ｄｍａｘ（Ｃｕ）≧０．００１；
（ｉｉ） １．５≧ｄｍａｘ（Ａｌ２Ｏ３）／ｄｍｉｎ（Ｃｕ）；
最も好ましくは以下の（ｉ）及び（ｉｉ）を満たす：
（ｉ） ｄｍｉｎ（Ａｌ２Ｏ３）／ｄｍａｘ（Ｃｕ）≧０．００２；
（ｉｉ） １．０≧ｄｍａｘ（Ａｌ２Ｏ３）／ｄｍｉｎ（Ｃｕ）。 The ratio of d max d min for (Cu) (Al 2 O 3 ) ratio and d min (Cu) with respect to d max (Al 2 O 3) is more preferably satisfied following the (i) and (ii):
(I) d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) 0.001 0.001;
(Ii) 1.5 d d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu);
Most preferably, the following (i) and (ii) are satisfied:
(I) d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) ≧ 0.002;
(Ii) 1.0 ≧ d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu).

特に好ましい実施形態によれば、
（ｉ） ０．００５≧ｄｍｉｎ（Ａｌ２Ｏ３）／ｄｍａｘ（Ｃｕ）≧０．００２；かつ
（ｉｉ） １．０≧ｄｍａｘ（Ａｌ２Ｏ３）／ｄｍｉｎ（Ｃｕ）≧０．０５である。 According to a particularly preferred embodiment
(I) 0.005 d d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) 0.00 0.002; and (ii) 1.0 d d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu) 0 0 .05.

これにより、度重なる温度変化ストレスにも耐える、金属被膜とセラミック基板との間の強い接着を実現することができる。上記のように、銅の最小及び最大粒子サイズをｄｍｉｎ（Ｃｕ）及びｄｍａｘ（Ｃｕ）とすると、好ましくはｄｍｉｎ（Ｃｕ）が≧１０μｍかつｄｍａｘ（Ｃｕ）が≦３００μｍ、より好ましくはｄｍｉｎ（Ｃｕ）が≧１５μｍかつｄｍａｘ（Ｃｕ）が≦２５０μｍ、さらに好ましくはｄｍｉｎ（Ｃｕ）が≧２０μｍかつｄｍａｘ（Ｃｕ）が≦２１０μｍである。 Thereby, strong adhesion between the metal film and the ceramic substrate can be realized, which can withstand repeated temperature change stress. As described above, assuming that the minimum and maximum particle size of copper is d min (Cu) and d max (Cu), preferably, d min (Cu) is ≧ 10 μm and d max (Cu) is ≦ 300 μm, more preferably It is Cu15 μm for d min (Cu) and ≦ 250 μm for d max (Cu), and more preferably 2020 μm for d min (Cu) and ≦ 210 μm for d max (Cu).

本発明によれば、さらに、少なくとも１種の上記の金属−セラミックス複合材料及び１又は２以上のボンドワイヤーを含むモジュールが提供される。１又は２以上のボンドワイヤーが、通常、銅又は銅合金からなる被膜に接合される。ワイヤーを金属被膜に接合する好適な方法は、当業者に公知である。モジュールは、さらに１又は２以上の電子部品、例えば１又は２以上のチップを含みうる。   According to the present invention there is further provided a module comprising at least one of the above-described metal-ceramic composites and one or more bond wires. One or more bond wires are typically bonded to the coating of copper or copper alloy. Suitable methods of bonding the wire to the metal coating are known to those skilled in the art. The module may further include one or more electronic components, such as one or more chips.

本発明において、セラミック基板の酸化アルミニウムの粒子構造及び金属被膜の銅又は銅合金の粒子構造は、以下のようにして測定される：   In the present invention, the particle structure of the aluminum oxide of the ceramic substrate and the particle structure of the copper or copper alloy of the metal coating are measured as follows:

（セラミック基板の酸化アルミニウムの粒子サイズ分布）
セラミック基板の表面の走査顕微鏡写真（ＳＥＭ像）を撮影する。研磨切片の形態の特別な試料調製は不要である。ＳＥＭ像は、セラミック基板の銅で覆われていた箇所をエッチングにより露出させて撮影する。 (Particle size distribution of aluminum oxide on ceramic substrate)
A scanning micrograph (SEM image) of the surface of the ceramic substrate is taken. No special sample preparation in the form of polished sections is required. The SEM image is photographed by exposing the portion of the ceramic substrate covered with copper by etching.

粒子サイズは、直線交差法により求める。直線交差法は、当業者に公知であり、例えばＡＳＴＭ１１２−１３に記載されている。   The particle size is determined by the linear intersection method. Straight line crossing methods are known to those skilled in the art and are described, for example, in ASTM 112-13.

ラインパターンが少なくとも５０個のＡｌ２Ｏ３粒子と交差するような倍率を選択する。セラミック基板が化学組成の異なる粒子、例えばＺｒＯ２粒子を含む場合は、これらはＳＥＭ像では二次電子コントラストによりＡｌ２Ｏ３粒子と簡単に見分けることができるので、その後の算出には含めない。 The magnification is chosen such that the line pattern intersects at least 50 Al 2 O 3 particles. When the ceramic substrate contains particles having different chemical compositions, for example, ZrO 2 particles, these can not easily be distinguished from Al 2 O 3 particles by secondary electron contrast in the SEM image, and therefore, they are not included in the subsequent calculation.

本発明においては、光学顕微鏡写真上でｘ方向に２本の平行線を引き、ｙ方向に２本の平行線を引く。これらのラインにより、画像はそれぞれ幅の等しい３つの帯に分割される。図３にこれを模式的に示す。粒子がラインの１本と長さＬにわたって交差した場合、この長さＬを粒子サイズとする。このようにして、ラインの１本と交差する各粒子の粒子サイズが得られる。２本のラインの交点では、１つの粒子に対して２つの値が得られ、これらはどちらも粒子サイズ分布の測定に用いられる。   In the present invention, two parallel lines are drawn in the x direction and two parallel lines are drawn in the y direction on the optical micrograph. These lines divide the image into three equal width bands. This is schematically shown in FIG. If the particle intersects one of the lines for a length L, then this length L is taken as the particle size. In this way, the particle size of each particle crossing one of the lines is obtained. At the intersection of the two lines, two values are obtained for one particle, both of which are used to measure the particle size distribution.

交差した粒子の粒子サイズから結果として粒子サイズ分布が得られ、そこからｄ５、ｄ５０及びｄ９５値や算術平均ｄａｒｉｔｈを求めることができる。 The particle size of the crossed particles results in a particle size distribution from which the d 5 , d 50 and d 95 values and the arithmetic mean d arith can be determined.

上記のように、また当業者に公知であるように、しばしば中央値とも呼ばれるｄ５０は、以下に相当する：５０％の粒子の直径がｄ５０よりも小さい。同様に、ｄ５とは、５％の粒子の直径がｄ５よりも小さくなる値であり、ｄ９５とは、９５％の粒子の直径がｄ９５よりも小さくなる値である。
粒子サイズ分布の算術平均は、個々の粒子の粒子サイズの合計を交差した粒子の数で除することにより得られる。 As described above, also as known to those skilled in the art, d 50, often also referred to as a central value corresponds to the following: is smaller than d 50 diameter of 50% of the particles. Similarly, the d 5, the diameter of the 5% of the particles are the smaller value than d 5, and d 95, the diameter of 95% of the particles are smaller value than d 95.
The arithmetic mean of the particle size distribution is obtained by dividing the sum of the particle sizes of the individual particles by the number of particles crossed.

（銅又は銅合金の粒子サイズ分布）
銅又は銅合金からなる被膜の表面の光学顕微鏡写真を撮る（被覆された基板表面と平行）。研磨切片の形態の特別な試料調製は不要である。 (Particle size distribution of copper or copper alloy)
Take an optical micrograph of the surface of the coating consisting of copper or copper alloy (parallel to the coated substrate surface). No special sample preparation in the form of polished sections is required.

粒子サイズは、直線交差法により求める。直線交差法は、当業者に公知であり、例えばＡＳＴＭ１１２−１３に記載されている。   The particle size is determined by the linear intersection method. Straight line crossing methods are known to those skilled in the art and are described, for example, in ASTM 112-13.

ラインパターンが少なくとも５０個の粒子と交差するような倍率を選択する。   Choose a magnification such that the line pattern intersects at least 50 particles.

直線交差法によるさらなる評価に関しては、上記の酸化アルミニウムについての記載を参照しうる。   For further evaluation by the linear crossing method, reference may be made to the description above for aluminum oxide.

このように、銅又は銅合金の粒子サイズ及びＡｌ２Ｏ３の粒子サイズは、どちらも被覆された基板表面と平行な面又は前者と同一面において求められる。 Thus, the particle size of copper or copper alloy and the particle size of Al 2 O 3 are both determined in a plane parallel to the coated substrate surface or in the same plane as the former.

（個々の粒子の形状係数、平均粒子形状係数）
（酸化アルミニウム）
粒子サイズ分布の測定に用いたＳＥＭ像を用いる。 (Individual particle shape factor, average particle shape factor)
(Aluminum oxide)
The SEM image used for the measurement of particle size distribution is used.

個々の粒子の形状係数を求めるため、以下の手順を用いる：
最も長い寸法ｄＫ，ｍａｘを求める。続いて、ｄＫ，ｍａｘの長さを半分にする箇所においてｄＫ，ｍａｘに直交する粒子径ｄＫ，ｏｒｔｈｏを求める。個々の粒子ＲＫの形状係数は、ｄＫ，ｍａｘに対するｄＫ，ｏｒｔｈｏの比、すなわちＲＫ＝ｄＫ，ｏｒｔｈｏ／ｄＫ，ｍａｘとして得られる。 Use the following procedure to determine the shape factor of an individual particle:
The longest dimension d K, max is determined. Subsequently, a particle diameter d K, ortho orthogonal to d K, max is obtained at a point where the length of d K, max is halved. The shape factor of the individual particles R K is obtained as the ratio of d K, ortho to d K, max , ie R K = d K, ortho / d K, max .

図４に、楕円形の粒子構造を持つ粒子についてこれを模式的に示す。粒子の形状の２次元投影が円形に近づくにつれ、粒子の形状係数の値は１．０に近づく。したがって、形状係数は、粒子の真円度（Ｋｒｅｉｓｆｏｅｒｍｉｇｋｅｉｔ）／円形度（ｒｕｎｄｈｅｉｔ）の尺度でもある。   This is schematically shown in FIG. 4 for particles having an elliptical particle structure. As the two-dimensional projection of the shape of the particle approaches a circle, the value of the shape factor of the particle approaches 1.0. Thus, the shape factor is also a measure of the roundness (Kreisfoermigkeit) / roundness (rundheit) of the particle.

ＳＥＭ像の少なくとも５０個の粒子について、形状係数を求める。通常、直線交差法の際にラインと交差した粒子を評価する。   The shape factor is determined for at least 50 particles of the SEM image. Usually, particles that intersect the line during the linear intersection method are evaluated.

そして、酸化アルミニウムの平均粒子形状係数は、個々のＡｌ２Ｏ３粒子の形状係数の算術平均（すなわち、個々の形状係数の合計を試験した粒子数で除したもの）として得られる。 The average particle shape factor of aluminum oxide is then obtained as the arithmetic mean of the shape factors of the individual Al 2 O 3 particles (ie the sum of the individual shape factors divided by the number of particles tested).

（銅、銅合金）
粒子サイズ分布の測定に用いた光学顕微鏡写真を用いる。 (Copper, copper alloy)
The optical micrograph used for the measurement of particle size distribution is used.

銅又は銅合金の個々の粒子の形状係数及び平均粒子形状係数の測定に関しては、上記のＡｌ２Ｏ３についての記載を参照することができる。 For the determination of the shape factor and the mean particle shape factor of the individual particles of copper or copper alloy, reference can be made to the description above for Al 2 O 3 .

銅又は銅合金の粒子形状係数及びＡｌ２Ｏ３の粒子形状係数は、どちらも被覆された基板表面と平行な面又は前者と同一面において求める。 The grain shape factor of copper or copper alloy and the grain shape factor of Al 2 O 3 are both determined in the plane parallel to the coated substrate surface or in the same plane as the former.

本発明の銅−セラミック基板の製造に好ましく用いられるボンディング法を以下に記載する：   The bonding methods preferably used for the production of the inventive copper-ceramic substrate are described below:

本発明において、銅被膜をセラミック基板に貼り付けるために好ましく用いられる典型的な方法は、例えば文書ＵＳ３７４４１２０、ＵＳ３９９４４３０、ＥＰ００８５９１４Ａ又はＤＥ２３１９８５４Ａにより公知であり、これらの対応する開示は、本発明に参照により援用される。   In the present invention, typical methods preferably used for applying a copper coating to a ceramic substrate are known, for example from documents US 3744120, US 3994430, EP0085914A or DE 2319854A, the corresponding disclosures of which are incorporated by reference into the present invention. Be done.

これらに開示される製造方法のすべて、例えばダイレクト銅ボンディング法（ＤＣＢ法）では、本質的に均一な酸化銅層が得られるように、最初に銅箔を酸化するのが一般的である。次いで、得られた銅箔をセラミック基板上に配置し、セラミック基板と銅箔の複合材料を約１０２５℃から１０８３℃の範囲内の処理温度、すなわちボンディング温度に加熱すると、その結果として金属化セラミック基板が得られる。ボンディング後、銅箔は被膜となる。最後に、得られる金属化セラミック基板を冷却する。   In all of the manufacturing methods disclosed therein, such as direct copper bonding (DCB), it is common to first oxidize the copper foil so that an essentially uniform copper oxide layer is obtained. The resulting copper foil is then placed on a ceramic substrate and the composite of ceramic substrate and copper foil is heated to a processing temperature within the range of about 1025 ° C. to 1083 ° C., ie, the bonding temperature, resulting in the metallized ceramic A substrate is obtained. After bonding, the copper foil is a coating. Finally, the resulting metallized ceramic substrate is cooled.

セラミック基板と銅箔の接合は、加熱炉、通常はボンディング炉で行う。しばしばトンネル窯とも呼ばれるこのボンディング炉は、特に、長いトンネル状の炉内空間（マッフルとも呼ばれる。）と、加熱装置により加熱された炉内空間で処理される材料を輸送するための輸送装置とを有し、当該輸送装置は、例えば柔軟で耐熱性のあるコンベアベルトである輸送部を備える。セラミック基板は、銅箔と共にコンベアベルトの支持体上に配置され、次いでコンベアベルトによってボンディング炉の加熱領域に通されて、所望のボンディング温度に達する。ボンディング法の最後に、得られた本発明に係るセラミック基板と銅箔の複合材料を再び冷却する。   The ceramic substrate and the copper foil are bonded in a heating furnace, usually a bonding furnace. This bonding furnace, often referred to as the tunnel kiln, in particular comprises a long tunnel-like furnace space (also called muffle) and a transport device for transporting the material to be treated in the furnace space heated by the heating device. The transport device comprises a transport, for example a flexible, heat-resistant conveyor belt. The ceramic substrate is placed on the support of the conveyor belt with the copper foil and then passed by the conveyor belt through the heating area of the bonding furnace to reach the desired bonding temperature. At the end of the bonding method, the obtained composite material of the ceramic substrate and the copper foil according to the present invention is cooled again.

この方法は、原則として、片面が金属化されたセラミック基板の製造に用いられ、両面が金属化された基板の製造にも用いられる。両面が金属化された基板の製造は、通常、２段階ボンディング法、すなわち２段階の単層法（ＳＬＢ法）により行われる。本発明においては、２段階ボンディング法を用いるのが好ましい。   This method is in principle used for the production of ceramic substrates metallized on one side and also for the manufacture of substrates metallized on both sides. The production of double-sided metallized substrates is usually carried out by means of a two-step bonding process, ie a two-step single-layer process (SLB process). In the present invention, it is preferable to use a two-step bonding method.

本発明に係る両面が金属化されたセラミック基板を製造するための２段階ボンディング法では、炉に２回通すことで、セラミック基板の両面の銅箔にセラミックスが接合される。   In the two-step bonding method for producing a ceramic substrate metallized on both sides according to the present invention, the ceramic is bonded to the copper foils on both sides of the ceramic substrate by passing through the furnace twice.

このために、最初にセラミック基板を支持体に載置し、次いで上面、すなわち支持体とは反対側を銅箔で覆う。熱の作用によりセラミック基板のこの面に金属層が接合され、次いで得られたものを冷却する。   For this purpose, first the ceramic substrate is placed on a support and then the top side, ie the side opposite to the support, is covered with copper foil. The action of heat bonds the metal layer to this side of the ceramic substrate and then cools the obtained one.

続いて、基板を裏返し、第２のボンディング工程により同様にして他の面に金属層、すなわち銅箔を設ける。   Subsequently, the substrate is turned over, and a metal layer, that is, copper foil, is provided on the other surface in the same manner as in the second bonding step.

単基板（Ｅｉｎｚｅｌ−Ｔｅｉｌ−Ｋａｒｔｅｎ）又は複数の単基板に割ることができる大型基板（Ｇｒｏｓｓｋａｒｔｅｎ）を製造することが可能である。   It is possible to produce large substrates (Grosskarten) which can be split into a single substrate (Einzel-Teil-Karten) or a plurality of single substrates.

以下の実施例では、セラミック基板における酸化アルミニウムの粒子構造が、どのように銅−セラミックス複合材料の機械的強度及び熱伝導性に影響するのかを示す。   The following examples show how the particle structure of aluminum oxide in a ceramic substrate affects the mechanical strength and thermal conductivity of copper-ceramic composites.

セラミック基板における酸化アルミニウムの粒子サイズ分布が異なる５種の銅−セラミックス試料をＤＣＢ法により作製した。
銅−セラミックス複合材料１、以下「Ｋ−Ｋ−Ｖ１」と称する（本発明）
銅−セラミックス複合材料２、以下「Ｋ−Ｋ−Ｖ２」と称する（比較試料）
銅−セラミックス複合材料３、以下「Ｋ−Ｋ−Ｖ３」と称する（比較試料）
銅−セラミックス複合材料４、以下「Ｋ−Ｋ−Ｖ４」と称する（比較試料）
銅−セラミックス複合材料５、以下「Ｋ−Ｋ−Ｖ５」と称する（比較試料） Five types of copper-ceramic samples having different particle size distributions of aluminum oxide in the ceramic substrate were produced by the DCB method.
Copper-ceramic composite material 1, hereinafter referred to as "K-K-V1" (invention)
Copper-ceramic composite material 2, hereinafter referred to as "K-K-V2" (comparative sample)
Copper-ceramic composite material 3, hereinafter referred to as "K-K-V3" (comparative sample)
Copper-ceramic composite material 4, hereinafter referred to as "K-K-V4" (comparative sample)
Copper-ceramic composite material 5, hereinafter referred to as "K-K-V5" (comparative sample)

これら５種の銅−セラミックス複合材料のそれぞれについて、セラミック基板の上面及び下面の両方に銅被膜を設けた。まず、ＳＬＢ法により銅被膜をセラミック基板の片面に貼り付けた。次いで、ＳＬＢ法によりさらなる銅被膜をセラミック基板の反対側の面に設けて、セラミックスの２面のそれぞれに銅箔を貼り付けた銅−セラミック基板を形成した。次いで、各試料について、２面の銅被膜の１面をエッチング法により構造化（全試料で同一の構造化）した。３つの例のすべてにおいて、基板はＡｌ２Ｏ３を９６重量％有していたが、その粒子構造は異なっていた。 For each of these five copper-ceramic composite materials, copper coatings were provided on both the top and bottom surfaces of the ceramic substrate. First, a copper film was attached to one side of the ceramic substrate by the SLB method. Next, a further copper film was provided on the opposite surface of the ceramic substrate by the SLB method to form a copper-ceramic substrate in which copper foils were attached to each of the two ceramic surfaces. Next, for each sample, one side of the two-sided copper film was structured by the etching method (the same structure in all the samples). In all three examples, the substrate had a Al 2 O 3 96 wt%, the grain structure was different.

５種の銅−セラミックス複合材料は、セラミック基板が以下の寸法：
セラミック基板の厚さ：０．３８ｍｍ；
セラミック基板の長さｘ幅：１９０ｘ１４０ｍｍ２であった。 The five copper-ceramic composites have the following dimensions for the ceramic substrate:
Ceramic substrate thickness: 0.38 mm;
The length x width of the ceramic substrate was 190 × 140 mm 2 .

各例の銅被膜は、厚さが０．３ｍｍであった。   The copper film of each example had a thickness of 0.3 mm.

図５に、Ｋ−Ｋ−Ｖ１のセラミック基板表面のＳＥＭ像を示す。これを用いて、実施例Ｋ−Ｋ−Ｖ１のＡｌ２Ｏ３粒子サイズを測定した。 The SEM image of the ceramic substrate surface of KKV is shown in FIG. Using this, the Al 2 O 3 particle size of Example K-K-V1 was measured.

試料Ｋ−Ｋ−Ｖ１からＫ−Ｋ−Ｖ５におけるＡｌ２Ｏ３の粒子サイズ分布の粒子サイズ範囲及び対称性値を表１に示す。 The particle size range and symmetry value of the particle size distribution of Al 2 O 3 in samples K-K-V1 to K-K-V5 are shown in Table 1.

５種の試料のそれぞれについて、銅−セラミックス複合材料におけるセラミック基板の曲げ破壊強度及び熱伝導性の両方を測定した。   For each of the five samples, both the flexural strength and thermal conductivity of the ceramic substrate in the copper-ceramic composite were measured.

曲げ破壊強度の測定では、破壊に至る力を３点曲げにより測定した。測定はＤＩＮ ＥＮ８４３−１（２００８）に基づくが、試料の幾何学的形状は、好ましくは、試料が２０×４０×０．３８ｍｍ3又は２０×４０×０．６３ｍｍ3の寸法を有するという点で、ＤＩＮ ＥＮ８４３−１（２００８）とは異なる。 In the measurement of the flexural strength, the force leading to the fracture was measured by three-point bending. Although measurement is based on DIN EN843-1 (2008), the geometry of the sample, preferably, in that the sample having the dimensions 20 × 40 × 0.38mm 3 or 20 × 40 × 0.63mm 3 , DIN EN 843-1 (2008).

結果を以下の表１に要約する。   The results are summarized in Table 1 below.

Figure 2019511992
Figure 2019511992

また、酸化アルミニウムの粒子サイズ分布の広がりが機械的強度及び熱伝導性に及ぼす効果を調査した。結果を表２に示す。   In addition, the effect of the spread of the particle size distribution of aluminum oxide on the mechanical strength and thermal conductivity was investigated. The results are shown in Table 2.

Figure 2019511992
Figure 2019511992

表２が示すように、粒子サイズ分布の広がりを本発明に従った範囲内とすることで、セラミック基板部分における機械的強度及び熱伝導性のさらなる最適化を実現することができる。   As Table 2 shows, by optimizing the spread of the particle size distribution within the range according to the present invention, further optimization of mechanical strength and thermal conductivity in the ceramic substrate portion can be realized.

Ａｌ２Ｏ３粒子の形状係数ＲＫの算術平均から、酸化アルミニウムの平均粒子形状係数Ｒａ（Ａｌ２Ｏ３）が得られる。例えば、酸化アルミニウム材料が細長い粒子を高い割合で含んでいる場合、この酸化アルミニウムの平均粒子形状係数は、比較的低い値となるであろう。一方、平均粒子形状係数の値が１．０に近づくほど、丸く円形の粒子の割合が高くなる。 From the arithmetic mean of the shape factor R K of the Al 2 O 3 particles, an average particle shape factor R a (Al 2 O 3 ) of aluminum oxide is obtained. For example, if the aluminum oxide material contains a high proportion of elongated particles, the average particle shape factor of the aluminum oxide will be a relatively low value. On the other hand, as the value of the average particle shape factor approaches 1.0, the proportion of round and circular particles increases.

これら５種の銅−セラミックス複合材料のそれぞれについて、セラミック基板の上面及び下面の両方に銅被膜を設けた。まず、ＳＬＢ法により銅被膜をセラミック基板の片面に貼り付けた。次いで、ＳＬＢ法によりさらなる銅被膜をセラミック基板の反対側の面に設けて、セラミックスの２面のそれぞれに銅箔を貼り付けた銅−セラミック基板を形成した。次いで、各試料について、２面の銅被膜の１面をエッチング法により構造化（全試料で同一の構造化）した。５つの例のすべてにおいて、基板はＡｌ２Ｏ３を９６重量％有していたが、その粒子構造は異なっていた。 For each of these five copper-ceramic composite materials, copper coatings were provided on both the top and bottom surfaces of the ceramic substrate. First, a copper film was attached to one side of the ceramic substrate by the SLB method. Next, a further copper film was provided on the opposite surface of the ceramic substrate by the SLB method to form a copper-ceramic substrate in which copper foils were attached to each of the two ceramic surfaces. Next, for each sample, one side of the two-sided copper film was structured by the etching method (the same structure in all the samples). In all five examples, the substrate had a Al 2 O 3 96 wt%, the grain structure was different.

Claims (9)

− 酸化アルミニウムを含むセラミック基板であって、
前記酸化アルミニウムは、
−− 粒子サイズが０．０１μｍから２５μｍの範囲内であり、
−− 粒子サイズの数分布における中央値ｄ５０及び算術平均ｄａｒｉｔｈについて、ｄａｒｉｔｈに対するｄ５０の比が０．７５から１．１０の範囲内である、上記セラミック基板と、
− 前記セラミック基板上に存在する銅又は銅合金からなる被膜と、
を有する、銅−セラミックス複合材料。 A ceramic substrate comprising aluminum oxide,
The aluminum oxide is
-The particle size is in the range of 0.01 μm to 25 μm,
The above ceramic substrate, wherein the ratio of d 50 to d arith is in the range of 0.75 to 1.10. For the median d 50 and the arithmetic mean d arith in the particle size number distribution;
A coating of copper or copper alloy present on the ceramic substrate;
Copper-ceramic composite material. ｄａｒｉｔｈに対するｄ５０の比が、０．７８から１．０５の範囲内、より好ましくは０．８０から１．００の範囲内である、請求項１に記載の銅−セラミックス複合材料。 The ratio of d 50 for d arith is in the range of from 0.78 1.05, more preferably in the range of 0.80 1.00, copper according to claim 1 - ceramic composites. 前記酸化アルミニウムは、粒子サイズの数分布におけるｄ５値及びｄ９５値について、ｄ９５に対するｄ５の比が０．１から０．４の範囲内、より好ましくは０．１１から０．３５の範囲内、さらに好ましくは０．１２から０．３０の範囲内である、請求項１又は請求項２に記載の銅−セラミックス複合材料。 The aluminum oxide, for d 5 values and the d 95 value in the number distribution of the particle size in the range of 0.4 the ratio is 0.1 to d 5 for d 95, more preferably 0.11 to 0.35 of The copper-ceramic composite material according to claim 1 or 2, which is in the range, more preferably in the range of 0.12 to 0.30. 前記酸化アルミニウムの粒子サイズが、０．３μｍから２３μｍの範囲内、より好ましくは０．５μｍから２０μｍの範囲内である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の銅−セラミックス複合材料。   The copper-ceramics composite according to any one of claims 1 to 3, wherein the particle size of the aluminum oxide is in the range of 0.3 μm to 23 μm, more preferably in the range of 0.5 μm to 20 μm. material. 前記セラミック基板が、酸化アルミニウムを少なくとも６５重量％含む、請求項１から請求項４に記載の銅−セラミックス複合材料。   The copper-ceramics composite material according to any one of claims 1 to 4, wherein the ceramic substrate contains at least 65 wt% of aluminum oxide. 銅又は銅合金からなる前記被膜が、ＤＣＢ法によって前記セラミック基板に貼り付けられる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の銅−セラミックス複合材料。   The copper-ceramics composite material according to any one of claims 1 to 5, wherein the film made of copper or copper alloy is attached to the ceramic substrate by a DCB method. 銅又は銅合金からなる前記被膜が、少なくとも部分的に電気接触部を形成する構造化部を有する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の銅−セラミックス複合材料。   A copper-ceramic composite material according to any of the preceding claims, wherein the coating of copper or copper alloy has a structured part which at least partially forms an electrical contact. 前記銅又は銅合金からなる前記被膜は、その面積の少なくとも７０％に渡って、厚さが０．２ｍｍから１．２ｍｍの範囲内であり；及び／又は、前記セラミック基板は、その面積の少なくとも７０％に渡って、厚さが０．２ｍｍから１．２ｍｍの範囲内である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の銅−セラミックス複合材料。   The coating made of copper or copper alloy has a thickness in the range of 0.2 mm to 1.2 mm over at least 70% of the area; and / or the ceramic substrate has at least the area The copper-ceramic composite material according to any one of claims 1 to 7, wherein the thickness is in the range of 0.2 mm to 1.2 mm over 70%. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の銅−セラミックス複合材料を少なくとも１種と、１又は２以上のボンドワイヤーとを含むモジュール。   A module comprising at least one of the copper-ceramic composite materials according to any one of claims 1 to 8 and one or more bond wires.
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